NOÄI DUNG 1. CAÁU TAÏO SÔÏI QUANG 2. CÔ SÔÛ VAÄT LYÙ VEÀ SÖÏ TRUYEÀN SOÙNG TRONG SÔÏI QUANG 3. CAÙC MODE DAÃN TRUYEÀN TRONG SÔÏI QUANG 4. COÂNG NGHEÄ CHEÁ TAÏO SÔÏI QUANG 5. PHAÂN LOAÏI SÔÏI QUANG 6. MAÁT MAÙT TRONG SÔÏI QUANG 7. ÑOÄ TAÙN SAÉC 8. HEÄ THOÁNG THOÂNG TIN SÖÛ DUÏNG SÔÏI QUANG:

Lưu lại thông tin cần thiết: Địa chỉ bạn đã tải: http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html Nơi bạn có thể thảo luận: http://myyagy.com/mientay/ Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí: http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html Dự án dịch học liệu mở: http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html Liên hệ với người quản lí trang web: Yahoo: thanhlam1910_2006@yahoo.com Gmail: frbwrthes@gmail.com

GIÔÙI THIEÄU Töø nhöõng naêm 60 cuûa theá kyû 20 Laser xuaát hieän, vaán ñeà ñaët ra laø truyeàn vaø xöû lyù thoâng tin khoâng phaûi baèng doøng ñieän hay soùng ñieän töø voâ tuyeán maø baèng tia saùng Naêm 1966 Kao vaø Hock-ham baét ñaàu nghieân cöùu truyeàn thoâng tin baèng chuøm Laser trong sôïi thuyû tinh. Cuoái thaäp kyû 70 daây ñieän baèng kim loaïi hay soùng voâ tuyeán ñöôïc thay theá baèng sôïi quang hay linh kieän daãn soùng quang sôïi quang ñaõ ñöôïc duøng roäng raõi thay cho daây kim loaïi trong vieãn thoâng bôûi nhieàu öu ñieåm noåi baät cuûa noù. Ngaøy nay

Öu ñieåm cuûa truyeàn thoâng tin baèng sôïi quang: - Traùnh ñöôïc söï giao thoa cuûa soùng ñieän töø - Traùnh söï chaäp maïch hay noái ñaát - An toaøn trong truyeàn tin, traùnh bò nghe troäm - Toån hao nhoû - Truyeàn thoâng tin toát - Kích thöôùc nhoû, troïng löôïng nheï - Vaät lieäu reû, doài daøo Toác ñoä thoâng tin coù theå truyeàn ñi phuï thuoäc tröïc tieáp vaøo taàn soá cuûa tín hieäu. Aùnh saùng coù taàn soá f ~ 1014 -> 1015 Hz lôùn hôn nhieàu so vôùi taàn soá song voâ tuyeán f ~ 106 Hz => Aùnh saùng truyeàn löôïng thoâng tin nhieàu hôn Thoâng tin ñöôïc chuyeån thaønh xung aùnh saùng, xung naøy truyeàn ñeán moät khoaûng caùch naøo ñoù nhôø sôïi quang, sau ñoù ñöôïc giaûi maõ trôû laïi thoâng tin ban ñaàu.

Fiber Optics Fiber-optic cable Internal reflection is the basis of fiber optics. Very important for modern data transfer and communication systems  phones!   Total internal reflection

Optical fiber communication system Electrical/optical converter Decoder Electric signal Fiber Optical/electrical converter Encoder Repeater Digital encoding scheme for optical communications “One” “Zero” High-power pulse  “one” Low-power pulse  “zero” High-power pulse  “One”

Step-index Fiber In Out Time Step in the refractive index Disadvantage: Pulse broadening Intensity Out Time

Graded-index fiber In Out Time Pulse broadening is not so severe Intensity remains almost constant Refractive index vary parabolically across the cross-section In Out Time

Graded-index Fiber, cont. In the graded-index fiber, light rays that traverse longer path lengths through the outer periphery of the core travel faster in this lower index material  all rays arrive at the same time at the output  almost no pulse broadening!

Fibers, Summary Step-index optical fibers are used for “cheap” short-range applications Graded-index fibers are used for long-range high-quality data transfer

2. CAÁU TAÏO SÔÏI QUANG Goàm hai phaàn chính: loõi (core) y Cladding Core z r f Fiber axis Goàm hai phaàn chính: loõi (core) lôùp voû (cladding) Lôùp voû coù chieát suaát nhoû hôn lôùp loõi Strength Member Outer Jacket Coating Primary Buffer Fiber Element (Core and Cladding) Skew ray Fiber axis 1 2 3 4 5

step-index singlemode Sôïi quang lieân tuïc ( graded index) Chieát suaát loõi phaân boá giaûm daàn töø trong ra ngoaøi Sôïi quang chiết suất từng bậc (step – index) Chieát suaát loõi khoâng ñoåi step-index singlemode

Tuøy thuoäc vaøo khaû naêng truyeàn taûi thoâng tin trong loõi maø ta coù : Trong sôïi quang ña mode, coù raát nhieàu mode (hoaëc nhieàu tia) ñöôïc truyeàn taûi Ngöôïc laïi, trong sợi quang ñôn mode, chæ coù moät mode ñöôïc truyeàn taûi trong loõi “mode” can be thought of as a ray of light (1) Sôïi quang ña mode : Ñöôïc phaùt trieån ñaàu tieân vaø ñöôïc duøng roäng raõi trong nhieàu heä thoáng truyeàn taûi thoâng tin Loõi cuûa noù raát lôùn, coù theå truyeàn taûi haøng traêm tia töø nguoàn saùng ñi vaøo loõi vôùi caùc goùc tôùi khaùc nhau Sôïi quang ñôn mode : Coù loõi raát nhoû, chæ cho pheùp nhöõng chuøm raát heïp töø nguoàn saùng ñôn saéc vôùi ñoâï taùn saéc cuûa xung raát nhoû (1). FIBER OPTIONS, INC. / 80 Orville Drive / Bohemia / New York / 11746-2533

3. CÔ SÔÛ VAÄT LYÙ VEÀ SÖÏ TRUYEÀN AÙNH SAÙNG TRONG SÔÏI QUANG 1. Ñeå aùnh saùng ñöôïc daãn ñi trong sôïi quang, noù phaûi thoûa ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn beân trong Transmitted (refracted) light k q t n Evanescent wave t 2 n > n 1 2 q q q k q k q > q i c c i i r i c TIR Incident Reflected light light Goùc tôùi taêng ñeán khi goùc khuùc xaï baèng 900 ta goïi laø goùc tôùi haïn Neáu goùc tôùi tieáp tuïc taêng vöôït qua giaù trò cuûa goùc tôùi haïn, luùc ñoù xaûy ra hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn

2. Ñieàu kieän giao thoa n 2 z a y A 1 B q ¢ C p -2 - /2 k E x Hai soùng tuyø yù 1 vaø 2 cuøng pha ban ñaàu, neáu khoâng noù seõ trieät tieâu nhau. n 2 z a y A 1 q ¢ C k E x - Guide center p -2 Söï giao thoa cuûa 2 soùng 1 vaø 2 seõ taïo neân thaønh phaàn soùng ñöùng theo phöông y vôùi höôùng truyeàn z

4. CAÙC MODE DAÃN TRUYEÀN TRONG SÔÏI QUANG Mode quang hoïc caùch phaân boá theo khoâng gian cuûa naêng löôïng quang trong moät hay nhieàu chieàu toïa ñoä Veà maët toaùn hoïc, mode laø ñieän tröôøng thoûa maõn caùc phöông trình Maxwell vôùi nhöõng ñieàu kieän nhaát ñònh n1 Light n3 n2 y E ( ) y,z,t ) = )cos( w t – b z m = 0 Field of evanescent wave (exponential decay) F i e l d o f g u a v E z 01 Core Cladding The electric field distribution of the mode in the transverse plane to the fiber axis z

Caû ba lôùp ñeàu voâ haïn theo truïc y,z Xeùt tröôøng hôïp cuï theå : tia saùng lan truyeàn trong moät linh kieän daãn soùng 3 lôùp Laø linh kieän daãn soùng ñöôïc giôùi haïn bôûi caùc maët phaân caùch phaúng, song song, vuoâng goùc vôùi truïc x. Lôùp 1 vaø 3 laø baùn voâ haïn theo truïc x, lôùp 2 beà daøy dx . Caû ba lôùp ñeàu voâ haïn theo truïc y,z Light n3 n1 x y z n2 > n3 > n1 n2 Giaû thuyeát soùng lan truyeàn theo truïc z coù daïng :

Moät mode lan truyeàn theo truïc z vôùi heä soá lan truyeàn  vaø theo truïc x laø h, coù theå bieåu dieãn baèng moät soùng baûn phaúng truyeàn theo phöông laøm moät goùc  vôùi truïc z coù heä soá lan truyeàn laø kn2 nhö moâ hình sau :    kn2 , h, kn2 ñeàu laø caùc heä soá lan truyeàn theo caùc phöông khaùc nhau

(1) Phöông trình truyeàn soùng Maxwell Ñoái vôùi nhöõng soùng phaúng ñôn saéc, lôøi gaûi pt treân coù daïng : (2) Thay vaøo pt treân, ta coù : Giaû thuyeát soùng lan truyeàn theo truïc z coù daïng : Thay vaøo (2) : Tröôøng hôïp ñaây laø soùng ngang, baûn phaúng truyeàn theo truïc z, neân ta coù theå gaûi thuyeát : Ex = 0 vaø Ez = 0 Theâm vaøo ñoù, Ey khoâng phuï thuoäc vaøo y vaø z, vì theo caùc truïc ñoù caùc lôùp vaät lieäu laø voâ haïn neân khoâng coù söï phaûn xaï, khoâng taïo thaønh soùng ñöùng.

Vaäy soùng truyeàn trong linh kieän daãn soùng 3 lôùp treân laø : , h, kn2 ñeàu laø caùc heä soá lan truyeàn theo caùc phöông khaùc nhau Coù 3 loaïi mode coù theå coù trong quaù trình truyeàn soùng trong linh kieän daãn soùng 3 lôùp : Mode böùc xa (a)ï: chæ xaûy ra hieän töôïng khuùc xaï khi gaëp 2 maët phaân caùch Khoâng coù lôïi trong vieäc truyeàn tín hieäu 2. Mode ñeá (b): Giaûm theo haøm muõ khi ra ngoaøi vaø toàn taïi daïng haøm sin trong ñeá Khoâng coù lôïi trong vieäc truyeàn tín hieäu 3. Mode truyeàn daãn (c)

ÑIEÀU KIEÄN DUY TRÌ MODE TRONG LINH KIEÄN DAÃN SOÙNG 1. Thoûa ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn : Ñònh luaät Snell : 3 laø goùc tôùi. Töø ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn, ta coù theå tìm ñieàu kieän cuûa heä soá daãn truyeàn ñeå duy trì mode daãn truyeàn Khi 3 nhoû, tia saùng seõ ñi xuyeân qua caû hai maët phaân caùch, chæ xaûy ra hieän töôïng khuùc xaï ôû caùc maët phaân caùch ñoù Tröôøng hôïp naøy öùng vôùi mode böùc xaï (radiation mode) neân Khi 3 taêng leân ñeå cho 2 ñaït ñeán goùc tôùi haïn cuûa hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn beân trong ôû maët phaân caùch n2 _ n1 Tia saùng bò nhoát laïi moät phaàn, öùng vôùi mode ñeá (substrate mode) Maø neân

kn3   : mode truyeàn daãn Khi 3 tieáp tuïc taêng leân ñeå cho 2 ñaït ñeán goùc tôùi haïn cuûa hieän töôïng phaûn xaï toaøn phaàn beân trong ôû maët phaân caùch n2 _ n3 Tia saùng bò nhoát laïi hoaøn toaøn öùng vôùi mode truyeàn daãn (guided mode) Keát luaän :  < kn1 : mode böùc xaï kn1   kn3 : mode ñeá kn3   : mode truyeàn daãn 2. Ñieàu kieän bieân: Aùnh saùng lan truyeàn lieân tuïc phaûn xaï toaøn phaàn taïi maët bieân cuûa loõi Cho neân cöôøng ñoä ñieän tröôøng taïi maët bieân phaûi baèng 0 do giao thoa giöõa soùng tôùi vaø soùng phaûn xaï Ñaây laø ñieàu kieän bieân cuûa hieän töôïng truyeàn daãn soùng trong sôïi quang

Nhö vaäy muoán truyeàn thoâng tin trong sôïi quang, phaûi thoûa : Ñieàu kieän phaûn xaï toaøn phaàn Ñieàu kieän giao thoa Ñieàu kieän bieân Tính chaát caàn thieát phaûi coù cuûa sôïi quang: Sôïi quang phaûi coù ñoä toån hao thaáp Phaûi coù tính chaát cô hoïc thích hôïp, coù ñoä beàn, ñoä chòu moûi do rung ñoäng cao Phaûi coù tính laõo hoùa thaáp, coù theå söû duïng oån ñònh trong vaøi chuïc naêm

5. COÂNG NGHEÄ CHEÁ TAÏO SÔÏI QUANG Khi moâ taû sôïi quang, chuùng ta xem sôïi quang ñöôïc caáu taïo töø hai phaàn : loõi vaø voû Trong coâng ngheä cheá taïo vaø veà maët vaät lieäu thì hai phaàn ñoù ñöôïc cheá taïo ñoàng thôøi vaø lieân tuïc veà maët vaät lieäu Söï khaùc nhau veà chieát suaát trong hai phaàn ñoù ñöôïc thöïc hieän baèng caùch thay ñoåi noàng ñoä phuï gia Coâng ngheä cheá taïo sôïi quang ñöôïc chia laøm hai giai ñoaïn : giai ñoaïn cheá taïo phoâi (perform) vaø giai ñoaïn keùo sôïi Giai ñoaïn cheá taïo phoâi baèng phöông phaùp CVD : doøng khí mang H2 thoåi qua caùc bình ñöïng SiCl4 vaø GeCl4 ñeå taïo doøng hôi Doøng hôi hoãn hôïp naøy ñöôïc khoáng cheá vaø ñieàu chænh ñöôïc thoåi qua moät oáng thaïch anh Caùc haït SiCl4 pha taïp GeO2 ngöng tuï leân thaønh oáng laøm cho thaønh oáng daøy leân daàn Ta coù moät phoâi vôùi söï phaân boá chieát suaát caàn theo thieát keá Giai ñoaïn keùo sôïi Töø caùc thoûi phoâi ngöôøi ta keùo ra caùc sôïi quang coù phaân boá chieát suaát theo thieát keá tröôùc Sôïi quang ñöôïc keùo xuoáng phía döôùi ñöôïc boïc lôùp baûo veä polime (jacket)

cheá taïo phoâi keùo sôïi ( a ) ( b ) c Vapors: SiCl + GeCl + O 4 + GeCl + O 2 Rotate mandrel ( a ) Deposited soot Burner Fuel: H Target rod Deposited Ge doped SiO cheá taïo phoâi ( b ) Furnace Porous soot preform with hole Clear solid glass preform Drying gases c Drawn fiber Preform keùo sôïi

TOÅN HAO TRONG SÔÏI QUANG Coù 4 nguyeân nhaân gaây ra maát maùt chính khi daãn truyeàn soùng trong sôi quang: 1. Do taùn xaï (Scattering)ï: 2. Do haáp thuï (Absorption)ï 3. Taïi nhöõng choã cong kích thöôùc raát nhoû (Microbend Loss)û 4. Taïi nhöõng choã cong kích thöôùc lôùn (Macrobend Loss)û

fiber attenuation wavelength after Jeff Hecht, Understanding Fiber Optics, (Prentice-Hall, 1999) fiber attenuation wavelength

Absorption Absorption is caused by three different mechanisms: 1- Impurities in fiber material: from transition metal ions (must be in order of ppb) & particularly from OH ions with absorption peaks at wavelengths 2700 nm, 400 nm, 950 nm & 725nm. 2- Intrinsic absorption (fundamental lower limit): electronic absorption band (UV region) & atomic bond vibration band (IR region) in basic SiO2. 3- Radiation defects

Haáp thuï do maïng tinh theå z A solid with ions Light direction k E x Haáp thuï do maïng tinh theå Soùng dao ñoäng khieán ion maïng dao ñoäng taïo neân moät soùng cô hoïc trong tinh theå Vì vaäy naêng löôïng seõ bò maát, cung caáp cho dao ñoäâng maïng

SCATTERING Scattered waves Incident wave Through wave The field forces dipole oscillations in the particle (by polarizing it) which leads to the emission of EM waves in "many" directions so that a portion of the light energy is directed away from the incident beam.

Absorption & scattering losses in fibers Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000

Bending Loss (Macrobending & Microbending) Macrobending Loss: The curvature of the bend is much larger than fiber diameter. Lightwave suffers sever loss due to radiation of the evanescent field in the cladding region. As the radius of the curvature decreases, the loss increases exponentially until it reaches at a certain critical radius. For any radius a bit smaller than this point, the losses suddenly becomes extremely large. Higher order modes radiate away faster than lower order modes. Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000

Microbending Loss Microbending Loss: microscopic bends of the fiber axis that can arise when the fibers are incorporated into cables. The power is dissipated through the microbended fiber, because of the repetitive coupling of energy between guided modes & the leaky or radiation modes in the fiber. Optical Fiber communications, 3rd ed.,G.Keiser,McGrawHill, 2000

S h a r p b e n d s c g t l o w v u i m y . T z f q ¢ , ; Escaping wave q q¢ < > c Macrobending R Cladding Core Field distribution S h a r p b e n d s c g t l o w v u i m y . T z f q ¢ , ;

Attenuation and dispersion in optical fiber Attenuation: reduction of light amplitude Dispersion: deterioration of waveform http://www.tpub.com/neets/tm/106-13.htm